Основные пути повышения энергетической эффективности асинхронных электроприводов

В настоящее время основным типом регулируемого электро­привода является частотно-регули­руемый асинхронный электропривод – система «полупроводнико­вый преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ППЧ – АД). Однако наряду с этим электроприводом в некоторых случаях для решения отдельных производственных задач и энергосбере­жения находит применение система «тиристорный преобразова­тель напряжения – асинхронный двигатель» (ТПН – АД), обеспе­чивающая регулирование напряжения первой гармоники напря­жения, подводимого к статору.

В эксплуатации также находятся электроприводы на основе асин­хронных двигателей с фазовым ротором, регулируемые за счет изменения добавочных сопротивлений в роторных цепях, так на­зываемые системы реостатного регулирования – «устройство реостатного регулирования – асинхронный двигатель с фазовым ротором» (УРР – АДФР). Особенно много таких электроприводов входит в состав подъемно-транспортных механизмов.

С учётом приведенных выше способов и систем управления асинхронными электроприводами можно наметить следующие направления снижения потребления энергии АД.

Первое направление связано со снижением потерь в электро­приводе при выполнении им заданных технологических операций по заданным тахограммам и с определенным режимом нагружения. Это электроприводы, работающие в пускотормозных режимах (кра­ны, лифты, главные приводы слябингов и блюмингов, вспомога­тельные позиционные механизмы прокатных станов и т.д.) или длительных режимах с медленно изменяющейся нагрузкой (насо­сы, вентиляторы, компрессоры, транспортеры и т.д.). В таких элек­троприводах за счет снижения потерь электропривода в устано­вившихся и переходных режимах возможна значительная эконо­мия электроэнергии. В кинематически связанных электроприводах (рольганги, многодвигательные приводы тележек и т.д.) равно­мерное деление нагрузок между двигателями позволяет также минимизировать потери в них.

Второе направление связано с изменением технологического процесса на основе перехода к более совершенным способам ре­гулирования электропривода и параметров этого технологическо­го процесса. При этом происходит снижение потребления энергии электроприводом. В качестве примера можно привести электропри­воды турбомеханизмов (насосов, вентиляторов, турбокомпрессо­ров), поршневых насосов и компрессоров, транспортеров, систем регулирования соотношения топливо — воздух и др. При этом, как правило, эффект не ограничивается экономией электроэнер­гии в электроприводе, во многих случаях возможна экономия ре­сурсов (воды, твердого и жидкого топлива и т.д.).

Для обоих названных направлений характерным является то, что в них снижается потребление энергии именно в электропри­воде: в первом случае за счет снижения потерь энергии, во вто­ром за счет использования менее энергозатратного со стороны электропривода управления технологическим процессом.

Можно назвать и третье направление, обеспечивающее реализа­цию энергосберегающих технологий. Известно, что имеется ряд тех­нологических процессов, где электропривод сравнительно неболь­шой мощности управляет потоком энергии, мощность которого в десятки и сотни раз превышает мощность электропривода. К та­ким объектам можно отнести дуговые сталеплавильные печи по­стоянного и переменного тока, вакуумные дуговые печи, рудо-восстановительные печи, установки индукционного нагрева и т.д. На них электроприводы мощностью в несколько киловатт могут управлять процессом, потребляющим десятки и даже сотни мега­ватт. Очевидно, что от совершенства электропривода, его быстро­действия и точности, степени автоматизации процесса во многом зависит эффективное использование таких значительных объемов энергии. Это направление не связано с уменьшением потока энер­гии через электропривод, чаще потребление энергии электропри­водом даже увеличивается. Тем не менее, так как это направление связано со значительной экономией электроэнергии, рассмотрим его на примере дуговой сталеплавильной печи.

Сформулируем пути энергосбережения в асинхронном элект­роприводе.

В рамках первого направления для снижения потерь энергии в асинхронном электроприводе можно использовать следующие пути.

1. Обоснованный выбор установленной мощности двигателя, соответствующей реальным потребностям управляемого механиз­ма. Эта задача связана с тем, что коэффициент загрузки многих двигателей составляет 50 % и менее, что гово­рит либо о низкой квалификации разработчиков, либо о несовер­шенстве использованной методики расчета мощности электропри­вода. Очевидно, что двигатель заниженной мощности быстро выхо­дит из строя из-за перегрева, а двигатель с большим запасом мощно­сти преобразует энергию неэффективно, т.е. с высокими удельны­ми потерями в самом двигателе из-за низкого КПД и в питающей сети из-за низкого коэффициента мощности. Поэтому первый путь заключается в совершенствовании методик выбора мощности дви­гателя и проверки его по нагреванию, а также в повышении ква­лификации разработчиков, проектировщиков и обслуживающего персонала. На практике встречаются случаи, когда вышедший из строя двигатель заменяется подходящим по высоте вала или его диаметру, а не по мощности. Существующие методики выбора мощности двигателя и проверки его по нагреванию могут рас­сматриваться лишь как первое приближение. Необходима разработ­ка более совершенных методик, основанных на точном учете режи­мов работы электропривода, изменении его энергетических показа­телей, тепловых процессов в двигателе, состояния изоляции и т.д. Разумеется, это предполагает широкое использование вычисли­тельной техники и специального программного обеспечения.

2. Переход на более экономичные двигатели, в которых за счет увеличения массы активных материалов (железа и меди), применения более совершенных материалов и технологий повышены номинальные значения КПД и коэффициента мощности. Этот путь, несмотря на высокую стоимость таких двигателей, становится очевидным, если учесть, что по данным западноевропейских экспертов, стоимость электроэнергии, потребляемой ежегодно средним двигателем, в 5 раз превосходит его стоимость. За время службы двигателя, а это десятки лет, экономия энергии значительно превысит капитальные затраты на такую модернизацию. Как уже отмечалось ранее, этот путь пока не получил должного признания в отечественной практике.

3. Переход к более совершенной с энергетической точки зрения системе электропривода. Потери энергии в переходных режимах заметно изменяются при использовании реостатного регулиро­вания, систем ТПН – АД и ППЧ – АД с минимальными потерями при применении частотно-регулируемых электроприводов. Поэтому в рамках каждой из перечисленных систем имеются более или
менее удачные в энергетическом и технологическом плане вари­анты. Задачей проектировщика является грамотный и всесторонне обоснованный выбор конкретного технического решения.

4. Использование специальных технических средств, обеспечивающих минимизацию потерь энергии в электроприводе. Так как значительная часть асинхронных электроприводов работает в ус­ловиях медленно изменяющейся нагрузки (электроприводы турбомеханизмов, конвейеров и т.д.), отклонение нагрузки электро­привода от номинальной ухудшает энергетические показатели
электропривода. В настоящее время к таким средствам можно от­нести устройства регулирования напряжения на двигателе в соот­ветствии с уровнем его нагрузки. Как правило, это либо специальные регуляторы напряжения на основе ТПН, включаемые меж­ду сетью и статором двигателя, либо преобразователи частоты, в
которых предусмотрен так называемый режим энергосбережения.
В первом случае ТПН выполняет кроме функции энергосбереже­ния не менее важные функции управления режимами пуска и тор­можения иногда регулирует скорость или момент, осуществляет защиту, диагностику, т. е. повышает технический уровень привода в целом. Во втором случае режим энергосбережения рассматрива­ется как дополнительная опция преобразователя частоты и имеется
лишь в некоторых выпускаемых типах преобразователей. С учетом
многофункциональности применения такие устройства оказыва­ются экономически целесообразными для приводов с изменя­ющейся нагрузкой даже при их относительно высокой стоимости.

5. Совершенствование алгоритмов управления электроприво­дом в системах ТПН – АД и ППЧ – АД на основе энергетических критериев оценки его качества, т.е. совершенствование известных решений, разработка эффективных технических средств для их осуществления и поиск новых решений, оптималь­ных в энергетическом смысле.

В рамках второго направления снижения потребления энергии решающее значение имеет переход от нерегулируемого электро­привода к регулируемому и повышение уровня автоматизации за счет включения в контур регулирования ряда технологических параметров (давления, расхода, температуры и т.д.). Так как это направление связано со снижением потребления энергии элект­роприводом за счет изменения технологического процесса, появ­ляется возможность регулировать ранее не регулировавшиеся тех­нологические параметры или изменять способ их регулирования.

Для третьего направления снижения потребления энергии ха­рактерны совершенствование системы электропривода в сочета­нии с автоматизацией технологического процесса и правильный выбор соответствующего по качеству регулирования электропри­вода из уже имеющихся или разработка новых, более качествен­ных систем.

Заметим, что при реализации конкретных проектов выявляет­ся, как правило, не один, а несколько возможных путей энерго­сбережения, поэтому для получения максимального эффекта не­обходим комплексный подход к решению задачи энергосбере­жения в электроприводе.

Рассмотрим некоторые из перечисленных путей повышения энергетической эффективности асинхронного электропривода.

Дата добавления: 2015-06-27